FTIR法研究蜜環(huán)菌降解前后榛子木材木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)及成分的變化*

趙佳，劉雪峰，林海波，白云帆，劉靜

(1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.肇東市林業(yè)局，黑龍江 肇東 151100)

近年來，紅外光譜已成為有機(jī)結(jié)構(gòu)和成分研究的常規(guī)手段。每一個(gè)化合物都具有特定的官能團(tuán)，并能夠形成特有的紅外吸收光譜。根據(jù)不同化合物吸收光譜的位置、數(shù)目、形狀和強(qiáng)度，可以確定某種化合物是否存在，并可以根據(jù)吸收峰強(qiáng)弱的變化，判斷成分含量的變化[1]。目前，利用紅外光譜法研究木材成分變化的研究日漸增多。如利用FTIR法研究出土木材化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化；利用紅外光譜法對木材腐朽菌降解材的成分進(jìn)行研究[2-5]。

榛子(Corylushelerophylla)為榛科(Corylaceae)榛屬(Corylus)植物，目前對榛子木材的研究并不多，僅有馮利群等人研究過榛子木材的構(gòu)造、纖維形態(tài)及其化學(xué)成分[6]。蜜環(huán)菌(Armillariamellea)屬傘菌目(Agaricales)蜜環(huán)菌屬(Armillaria)，蜜環(huán)菌與中藥材天麻(Gastrodiaelata)有著特殊的共生關(guān)系[7]，因此，蜜環(huán)菌及菌材的培養(yǎng)越來越受到人們的重視，蜜環(huán)菌對不同樹種的利用也變得更加重要。近幾年對蜜環(huán)菌菌材培養(yǎng)的研究較多，如黃明進(jìn)等人選用貴州8種樹材培養(yǎng)蜜環(huán)菌菌材，尋找適合天麻生產(chǎn)的蜜環(huán)菌菌材[8]；任思竹等人研究蜜環(huán)菌對15種不同樹種枝條的侵染效果[9]，但蜜環(huán)菌對木材的降解作用及其對木材成分的影響卻鮮有研究。

因蜜環(huán)菌多生長在淺山區(qū)的榛柴崗上，故又稱榛蘑。因此，本文選用榛子木材作為試驗(yàn)原料，利用紅外光譜法，研究蜜環(huán)菌對榛子木材的降解作用及其對木材成分的影響。本研究為蜜環(huán)菌菌材的培養(yǎng)提供依據(jù)，也為實(shí)現(xiàn)蜜環(huán)菌的人工栽培奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，以平茬的榛子木材作為蜜環(huán)菌侵染的試驗(yàn)原料和培養(yǎng)蜜環(huán)菌的基質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)木材資源的合理利用，對實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

采用高盧蜜環(huán)菌(Armillariagallica)編號mh，作為侵染榛子木材(后文簡稱榛材)的腐朽菌，購于黑龍江省科學(xué)院微生物研究所。試驗(yàn)榛材來源于大興安嶺加格達(dá)奇大黑山林場，3-4年生。

1.2 方法

1.2.1 蜜環(huán)菌的培養(yǎng)

蜜環(huán)菌易產(chǎn)生菌索，不利于其菌絲的產(chǎn)生，故經(jīng)篩選發(fā)現(xiàn)ZD培養(yǎng)基(配方為蔗糖20g，蛋白胨5g，KH2PO43g，MgSO41.5g，瓊脂20g，水1 000mL)對于蜜環(huán)菌菌絲的培養(yǎng)較適宜。因此，將蜜環(huán)菌接種到ZD培養(yǎng)基上，置25℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，菌絲長滿平板后待用。

1.2.2 蜜環(huán)菌降解榛材室內(nèi)試驗(yàn)

將4年生的野生榛子枝條(直徑約為3-4mm)用枝剪剪成厚度為0.2cm的小木塊(帶皮)，用高壓滅菌鍋于121℃滅菌30min后，放入長滿蜜環(huán)菌菌絲的平板中，置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中分別培養(yǎng)40d、80d，用流動(dòng)的水小心去除表面菌絲，放入105℃烘箱中烘至恒重。

1.2.3 蜜環(huán)菌降解榛材野外試驗(yàn)

在加格達(dá)奇大黑山地區(qū)，選擇郁閉度適中、無積水的樣地，挖長×寬為1.5m×1.6m，深5-10cm的坑窖，將培養(yǎng)好的蜜環(huán)菌二級種均勻的鋪在坑窖底部，再鋪1層榛材枝條，按照這個(gè)順序共鋪4層菌種，3層榛材枝條，表面再鋪1層闊葉樹的落葉。最后，覆土3-5cm，使表面土層略高于周圍土層，以避免積水。定期觀察菌絲及菌索侵染情況，試驗(yàn)滿1年時(shí)取樣。

1.2.4 榛材的紅外光譜分析

將烘干小木塊的樹皮部分和木質(zhì)部分別用研缽研磨，呈細(xì)粉狀時(shí)，用傅里葉紅外光譜分析儀FTIR(Nicolette 6 700、設(shè)備編號12002345、規(guī)格7 800-350cm-1)，采用壓片法進(jìn)行紅外光譜測定，實(shí)際測定范圍為500-4 000cm-1。用Thermo Nicolet公司的omnic 8.0紅外光譜分析軟件進(jìn)行圖譜處理，得到最終紅外光譜圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 健康榛材樣品的FTIR圖譜基本特征分析

健康榛材樣品木質(zhì)部(M-mmk)和樹皮部分(P-mmk)，經(jīng)FTIR紅外掃描后，結(jié)果如圖1-圖2所示。通過參照相關(guān)書籍和有關(guān)文獻(xiàn)[1,10-14]，確定該圖譜中特征峰及歸屬，分析結(jié)果見表1。

圖1 健康榛材木質(zhì)部樣品的FTIR圖譜

圖2 健康榛材樹皮部分樣品的FTIR圖譜

木材中主要成分是木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，后兩者統(tǒng)稱為綜纖維素。微生物可以利用木材主要成分，實(shí)現(xiàn)對它的降解與利用[15-18]。在降解利用的過程中，木材的成分及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其紅外吸收光譜的吸收峰強(qiáng)弱和峰位也隨之改變[19]。

根據(jù)圖1和圖2可知，在3 500-2 000cm-1區(qū)域，木質(zhì)部有2個(gè)強(qiáng)吸收峰，樹皮部分有3個(gè)強(qiáng)吸收峰，主要是羥基O-H的伸縮振動(dòng)和亞甲基CH2的伸縮振動(dòng)吸收峰，這說明榛材木質(zhì)部和樹皮部分中均含有大量的纖維素；1 732cm-1附近是乙?；汪然系腃=O伸縮振動(dòng)，是半纖維素的特異吸收峰。榛材木質(zhì)部和樹皮部分中均存在該吸收峰，但位置不同，且強(qiáng)度也有所差別，說明木質(zhì)部和樹皮部分中的半纖維素的結(jié)構(gòu)和含量不同；1 630-1 410cm-1區(qū)域，主要是苯環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰，說明榛材含有大量的木質(zhì)素；1 400-890cm-1區(qū)域，主要是纖維素中C-H的彎曲震動(dòng)，特別是榛材木質(zhì)部吸收峰的896cm-1處為異頭碳(C1)振動(dòng)峰，是纖維素的特征吸收峰。另外，通過參考草酸鈣的吸收光譜圖分析可知[20]，試驗(yàn)榛材樹皮部分1 621cm-1處的強(qiáng)吸收峰和1 317cm-1處的中強(qiáng)吸收峰，以及木質(zhì)部1 626cm-1處的強(qiáng)吸收峰和1 319cm-1處的中強(qiáng)吸收峰，為一水草酸鈣(COM)特征吸收峰。

表1 健康木質(zhì)部和樹皮部分原粉樣品紅外光譜特征峰及歸屬

2.2 蜜環(huán)菌降解榛材的FTIR圖譜分析

2.2.1 蜜環(huán)菌降解榛材木質(zhì)部的FTIR圖譜分析

隨著蜜環(huán)菌降解時(shí)間的改變，試驗(yàn)榛材各成分吸收峰的強(qiáng)弱發(fā)生變化。經(jīng)蜜環(huán)菌降解0d(M-mh0)、降解40d(M-mh40)、降解80d(M-mh80)和降解1年(M-mh1)的榛材木質(zhì)部樣品，經(jīng)FTIR紅外掃描后，對比結(jié)果見圖3。

從蜜環(huán)菌對榛材木質(zhì)部成分官能團(tuán)的降解角度分析：榛材木質(zhì)部經(jīng)蜜環(huán)菌的降解，表征一水草酸鈣(COM)的C=O不對稱伸縮振動(dòng)吸收(1 626cm-1)、愈創(chuàng)木基和紫丁香基中的C=O，C-H彎曲振動(dòng)吸收峰(1 319cm-1)和COO-變角振動(dòng)吸收峰(781cm-1)發(fā)生了明顯變化。降解40d時(shí)，781cm-1和1 626cm-1處的吸收峰強(qiáng)度明顯降低，說明一水草酸鈣的官能團(tuán)被破壞；80d時(shí)，781cm-1附近無明顯吸收峰，說明一水草酸鈣的官能團(tuán)幾乎均被破壞；1年時(shí)，1 626cm-1附近吸收峰強(qiáng)度明顯強(qiáng)于健康榛材樣品的吸收峰，781cm-1和1 319cm-1附近也重新出現(xiàn)了尖峰，說明一水草酸鈣被重新合成，且合成量超過健康榛材中一水草酸鈣原本的含量。另外，在榛材木質(zhì)部被降解1年時(shí)，表征纖維素的烷烴CH2反對稱伸縮吸收峰(2 924cm-1)被分成2個(gè)譜峰，說明綜纖維素被降解。

圖3 蜜環(huán)菌降解材木質(zhì)部樣品的FTIR圖譜

從蜜環(huán)菌對榛材木質(zhì)部成分降解規(guī)律方面分析：蜜環(huán)菌對榛材木質(zhì)部降解40d時(shí)，781cm-1吸收峰基本消失，說明一水草酸鈣被破壞嚴(yán)重；80d時(shí)，1 319cm-1處吸收峰變?nèi)?，該變化可能由綜纖維素官能團(tuán)的改變引起，也可能是由一水草酸鈣官能團(tuán)的改變引起。因綜纖維素的其他吸收峰均無明顯變化，而一水草酸鈣的其他吸收峰發(fā)生不明顯的減弱，所以，蜜環(huán)菌降解80d的榛子木質(zhì)部中的一水草酸鈣繼續(xù)被降解；1年時(shí)，一水草酸鈣特征吸收峰明顯增強(qiáng)，說明產(chǎn)生了大量草酸鈣。木質(zhì)素相關(guān)吸收峰(1 626cm-1、1 506cm-1、1 456cm-1、1 421cm-1和1 231cm-1)略有增強(qiáng)，同時(shí)，2 924cm-1被分成2個(gè)譜峰，說明綜纖維素被降解。

2.2.2 蜜環(huán)菌降解榛材樹皮部分的FTIR圖譜分析

經(jīng)蜜環(huán)菌降解0d(P-mh0)、降解40d(P-mh40)、降解80d(P-mh80)和降解1年(P-mh1)的榛材樹皮部分樣品，經(jīng)FTIR紅外掃描后，對比結(jié)果見圖4。

圖4 蜜環(huán)菌降解材樹皮部分樣品的FTIR圖譜

從蜜環(huán)菌對榛材樹皮部分成分官能團(tuán)的降解角度分析,榛材樹皮部分經(jīng)蜜環(huán)菌的降解，表征一水草酸鈣(COM)的C=O不對稱伸縮振動(dòng)吸收峰(1 621cm-1)、愈創(chuàng)木基和紫丁香基中的C=O，C-H彎曲振動(dòng)吸收峰(1 317cm-1)和COO-變角振動(dòng)吸收峰(781cm-1)發(fā)生了明顯變化。降解40d時(shí)，吸收強(qiáng)度減弱，說明其官能團(tuán)被破壞，一水草酸鈣被降解；降解80d和1年時(shí)，吸收強(qiáng)度明顯高于健康榛材強(qiáng)度，說明其官能團(tuán)重新合成，產(chǎn)生一水草酸鈣，且占比重遠(yuǎn)超過健康榛材中的比重。在降解80d時(shí)，表征纖維素的烷烴CH2反對稱伸縮吸收峰(2 919cm-1和2 851cm-1)，強(qiáng)度低于其他樣品吸收峰強(qiáng)度，說明纖維素被降解。同時(shí)，表征木質(zhì)素和纖維素C=O伸縮振動(dòng)吸收峰(1 031cm-1)強(qiáng)度明顯高于其他降解時(shí)間和健康榛材樣品的強(qiáng)度，說明木質(zhì)素所占含量上升。對蜜環(huán)菌降解1年與降解80d的榛材樹皮部分吸收峰光譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)2 919cm-1和 2 851cm-1附近強(qiáng)度增加，1 621cm-1、1 317cm-1和781cm-1附近峰強(qiáng)度幾乎無變化，而1 031cm-1附近強(qiáng)度明顯減弱，說明榛材樹皮部分受蜜環(huán)菌降解1年時(shí)，木質(zhì)素被降解。

從蜜環(huán)菌對榛材樹皮部分成分降解規(guī)律方面分析：蜜環(huán)菌對榛材樹皮部分降解40d時(shí)，一水草酸鈣特征吸收峰(1 621cm-1、1 317cm-1和781cm-1)減弱，說明草酸鈣含量發(fā)生變化。80d時(shí)，木質(zhì)素相關(guān)吸收峰(1 621cm-1和1 031cm-1)明顯增強(qiáng)，綜纖維素相關(guān)吸收峰(2 919cm-1、2 851cm-1、1 736cm-1、1 454cm-1和1 154cm-1)減弱，說明綜纖維素被大量降解。同時(shí)，一水草酸鈣特征吸收峰(1 621cm-1、1 317cm-1和781cm-1)明顯增強(qiáng)，說明產(chǎn)生了大量草酸鈣。1年時(shí)，1 031cm-1處吸收峰顯著減弱，該變化可能由木質(zhì)素的降解引起，也可能是由綜纖維素的降解引起。但由于綜纖維素相關(guān)吸收峰2 919cm-1、2 851cm-1、1 736cm-1、1 454cm-1和1 154cm-1處均略有增強(qiáng)。說明降解1年時(shí)，木質(zhì)素被蜜環(huán)菌(mh)降解。另外，對蜜環(huán)菌降解1年與降解80d榛材樹皮部分的吸收峰進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)一水草酸鈣的特征吸收峰無明顯變化，說明草酸鈣的含量未發(fā)生變化。

3 結(jié)論與討論

本研究確定了健康榛材和腐朽榛材的主要成分為木質(zhì)素、綜纖維素和一水草酸鈣。蜜環(huán)菌在降解過程中，使一水草酸鈣(COM)的C=O不對稱伸縮振動(dòng)吸收峰(1 621cm-1)、纖維素的烷烴CH2反對稱伸縮吸收峰(2 924cm-1)和木質(zhì)素C=O伸縮振動(dòng)吸收峰(1 031cm-1)等官能團(tuán)遭到破壞。蜜環(huán)菌降解時(shí)間不同的榛材木質(zhì)部和樹皮部分材料中，各成分的吸收峰強(qiáng)弱不同。并且，隨著降解時(shí)間的改變，榛子木材成分發(fā)生不同程度的變化。整體來看，在蜜環(huán)菌對榛材降解的初期，吸收峰1 626cm-1附近的C=O不對稱伸縮振動(dòng)和吸收峰781cm-1附近的COO-變角振動(dòng)吸收峰逐漸減弱，甚至消失，說明一水草酸鈣被蜜環(huán)菌破壞程度較大；中期，隨吸收峰2 924cm-1附近烷烴CH2反對稱伸縮吸收峰強(qiáng)度逐漸減弱，吸收峰1 626cm-1和781cm-1附近重新產(chǎn)生新峰，且新峰的強(qiáng)度明顯高于健康榛材中該處吸收峰的強(qiáng)度。說明隨著蜜環(huán)菌對綜纖維素的降解，一水草酸鈣重新生成，且生成量超過健康榛材中的含量。后期，在蜜環(huán)菌降解1年的榛材樹皮部分中，木質(zhì)素相關(guān)峰有部分變化，說明蜜環(huán)菌對木質(zhì)素的降解能力小，且木質(zhì)素較難降解。

本研究中，受蜜環(huán)菌(mh)菌株降解40d、80d的榛材在室內(nèi)條件下完成，降解1年的榛材在野外環(huán)境中進(jìn)行。相比之下，室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境為其提供了良好的培養(yǎng)條件和營養(yǎng)基質(zhì)，而野外環(huán)境中則存在更多的不可控因素，根據(jù)本試驗(yàn)的研究結(jié)果，可以看出野外條件下受蜜環(huán)菌降解1年的榛材，無論是在樹皮部分還是木質(zhì)部其降解程度都高于室內(nèi)侵染80d的降解程度，證明了蜜環(huán)菌利用榛材栽培的野外試驗(yàn)的可行性。

同時(shí)，結(jié)合譚燕華等人對草酸鈣結(jié)晶的研究[20]，確定榛材的木質(zhì)部和樹皮部分均含有一水草酸鈣，且該成分為蜜環(huán)菌對榛材降解利用的重要成分。劉喜明等人在研究巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)脫落樹皮的化學(xué)成分時(shí)也曾發(fā)現(xiàn)脫落樹皮中存在一水草酸鈣[21]，說明一水草酸鈣可能是木材成分中重要的組成部分，也可能是某些微生物對木材利用的重要能源物質(zhì)。同時(shí)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，綜纖維素大量降解時(shí)，也是一水草酸鈣大量產(chǎn)生時(shí)，說明可能是綜纖維素的降解產(chǎn)生了一水草酸鈣。在相關(guān)腐朽菌降解木材的相關(guān)文獻(xiàn)中并未提到腐朽菌對一水草酸鈣的降解[2,4,12]，可能是忽略了該成分，也可能降解草酸鈣是蜜環(huán)菌的特性，還有待于進(jìn)一步研究。

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